¿Se puede licuar cualquier gas bajando la temperatura? ¿Qué ocurre con los gases en el cero absoluto? ¿Hay gases que siguen siendo gases en el cero absoluto? ¿Se mueven sus moléculas a estas temperaturas? ¿Adquiere el gas una estructura cristalina a estas temperaturas sin dejar de ser gaseoso?
Respuestas
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hroptatyr
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El dióxido de carbono a presión atmosférica estándar no se licua al enfriarse. Se enfría directamente desublima de gas a sólido.
Los cambios de fase suelen estar asociados a una gran entrada o salida de calor. Solemos estar familiarizados con el hecho de que hay que poner calor en el hielo para derretirlo, o en una olla de agua para hervirla. Este movimiento de energía está fuertemente asociado a un cambio de fase de la materia. Si bajo el enfriamiento o la presión (o ambos) la presión, el volumen y la temperatura de un gas cambian suavemente, luego dejan de cambiar mientras la energía fluye dentro o fuera del gas, luego la presión, el volumen y/o la temperatura cambian repentinamente a un nuevo valor y luego continúan cambiando suavemente, decimos que el gas ha cambiado de estado. (Ejemplos típicos para los gases son la condensación en un líquido o la ionización en un plasma).
La temperatura "cero absoluto" es una construcción teórica. Ningún proceso físico puede reducir la temperatura de ningún objeto al cero absoluto. Cualquier afirmación de una propiedad de un material "en el cero absoluto" es una inferencia de su tendencia de comportamiento a medida que la temperatura se reduce a temperaturas cada vez más cercanas al cero absoluto.
A temperaturas muy bajas, observamos que los electrones, átomos, moléculas y otros componentes de la materia poseen " energía de punto cero ", que es una forma de energía inherente a las restricciones mecánicas cuánticas sobre las certezas de posición y momento (similar a la temperatura) de las partículas. A grandes temperaturas, la energía de punto cero queda completamente oculta, anegada por los procesos térmicos. A temperaturas muy bajas, la energía térmica se convierte en un componente menor y la energía del punto cero es más directamente observable. Si deducimos la tendencia de las observaciones a medida que la temperatura se acerca más y más al cero absoluto, podemos decir que las partículas a la temperatura teórica del cero absoluto seguirían poseyendo energía de punto cero y seguirían estando en movimiento.
Ciertas formas de la materia: plasmas, gases electrónicos ( Gases de Fermi ), Gases Bose tienen propiedades que no son tan familiares como los materiales normales. Los plasmas están cargados. Si un plasma se enfría a temperaturas cada vez más bajas (sin algún medio para neutralizar su carga, lo que ocurre, por ejemplo, en la corona del Sol), a menos que se aplique presión, la repulsión electrostática hará que las partículas del plasma se separen. Si se aplica presión, las partículas siguen moviéndose (al menos con energía de punto cero) y su densidad aumenta, pero siguen separadas. El estado de la materia puede describirse como un fluido (término que engloba tanto a los gases como a los líquidos), pero no se produce el gran cambio de energía interna asociado a un cambio de fase, por lo que normalmente no se llamaría líquido. La descripción de los gases de electrones es similar a la de los plasmas, aunque algunos de los aspectos físicos subyacentes son diferentes. En particular, los fermiones (electrones y algunas otras partículas) no pueden ocupar estados cuánticos idénticos, por lo que no pueden comportarse de forma similar a los condensados de Bose-Einstein (a continuación). Cuando un gas de Bose (fotones, átomos de Helio-4, etc.) se enfría, se produce un cambio de fase en el que las partículas pasan de tener estados diferentes a tener estados idénticos. La forma condensada de esto se llama Condensado de Bose-Einstein . Este condensado todavía tiene energía de punto cero, por lo que a la temperatura teórica del cero absoluto, este condensado todavía estaría en movimiento.
Ryan
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Al disminuir la temperatura, la vibración disminuye y disminuye hasta que, en el cero absoluto, hay una cantidad mínima de vibración que los átomos pueden tener, pero no cero. Esta cantidad mínima de movimiento que los átomos puede tener no es suficiente para fundir una sustancia, con una excepción: el helio. El helio simplemente disminuye los movimientos atómicos tanto como puede, pero incluso en el cero absoluto todavía hay suficiente movimiento para evitar que se congele. El helio, incluso en el cero absoluto, no se congela, a menos que la presión se haga tan grande como para que los átomos se aplasten entre sí. Si aumentamos la presión, podemos hacer que se solidifique. $_1$
Así que, respondiendo a tus preguntas, los gases pueden licuarse bajando la temperatura. Los líquidos pueden solidificarse o licuarse en el cero absoluto. Las moléculas o los átomos sí tienen una vibración mínima en el cero absoluto.
Créditos: $_1$ Feynman-lecturas sobre Física-Volumen1-Página NO.1-6 Los datos están sujetos a modificaciones y los números de página pueden cambiar según las ediciones.
JRT
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97
A Condensado de Bose-Einstein puede hacerse enfriando un gas (muy) diluido, y una vez que se ha formado el condensado puede enfriarse arbitrariamente cerca del cero absoluto sin formar una fase líquida o sólida. Las energías de los átomos se acercan a cero, pero los átomos no cristalizan porque se deslocalizan.
